Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Моделирование условий равновесия трещин в неоднородных элементах оборудования и трубопроводов АЭС в рамках механики хрупкого разрушения

Диссертация: Моделирование условий равновесия трещин в неоднородных элементах оборудования и трубопроводов АЭС в рамках механики хрупкого разрушения
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Поскольку одним из основных механизмов аварийного разрушения ответственных элементов оборудования и трубопроводов АЭС является неустойчивый рост трещины по достижению ею критического размера, особую роль в обосновании прочности приобретает развитие методов расчета на сопротивление хрупкому разрушению. Существенно, что в условиях физико-химических процессов наводораживания и под воздействием… Читать ещё >

Содержание

  • Условные обозначения
  • Глава 1. Расчет на сопротивление хрупкому разрушению, натурные наблюдения и современные методы расчетного анализа трещин
    • 1. 1. Существующие методики расчета на сопротивление хрупкому разрушению
    • 1. 2. Натурные наблюдения дефектов в элементах оборудования и трубопроводов АЭС
    • 1. 3. Краткий обзор современного состояния теории, описывающей равновесие криволинейных трещин в неоднородных телах
  • Глава 2. Постановка краевых задач о трещинах вблизи границы раздела материалов
    • 2. 1. Модельная задача о трещине в связанных полуплоскостях
    • 2. 2. Особенности модели и замечания о возможности обобщений
  • Глава 3. Метод численного решения задачи
    • 3. 1. Параметризация СИДУ с учетом особенностей поля напряжений
    • 3. 2. Квадратурно-коллокационный метод Гаусса-Якоби
    • 3. 3. Квадратурно-коллокационный метод Гаусса-Чебышева
    • 3. 4. Расчет коэффициентов интенсивности напряжений
    • 3. 5. О подходе к анализу условий квазихрупкого разрушения
  • Глава 4. Асимптотика поля напряжений вблизи вершины трещины, выходящей под произвольным углом на границу раздела материалов
    • 4. 1. Уравнение относительно особенности упругих напряжений вблизи вершины трещины, выходящей под произвольным углом на границу раздела материалов
    • 4. 2. Общий подход к определению особенностей напряжений в упругих разнородных телах
  • Глава 5. Результаты расчетов и критерий анализа условий прочности
    • 5. 1. Результаты расчетов для прикладных и модельных задач
    • 5. 2. Критерий анализа условий прочности при смешанном нагружении на основе имеющихся экспериментальных данных
    • 5. 3. Пример построения условий прочности
    • 5. 4. Расчет критического размера трещинообразных несплошностей в кольцевых сварных соединениях трубопроводов Ду800 КМПЦ РБМК

Моделирование условий равновесия трещин в неоднородных элементах оборудования и трубопроводов АЭС в рамках механики хрупкого разрушения (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Повышение безопасности эксплуатации ядерных энергетических установок, в частности, реакторов ВВЭР, и возрастающие требования к их экономической эффективности требуют внедрения современных методов обоснования прочности.

Поскольку одним из основных механизмов аварийного разрушения ответственных элементов оборудования и трубопроводов АЭС является неустойчивый рост трещины по достижению ею критического размера, особую роль в обосновании прочности приобретает развитие методов расчета на сопротивление хрупкому разрушению. Существенно, что в условиях физико-химических процессов наводораживания и под воздействием радиационного облучения в конструкционных сталях происходит изменение температуры вязко-хрупкого перехода, что отрицательно сказывается на трещиностойкости (вязкости разрушения) соответствующих элементов оборудования, в частности, корпуса реактора, внутрикорпусных устройств и трубопроводов первого контура [13].

Другой характерной особенностью элементов ЯЭУ является наличие множества узлов, где имеет место соединение разнородных материаловсварных соединений и наплавок.

Сложная геометрия неоднородных элементов оборудования, зависимость трещиностойкости от температуры и других факторов, трехосное термомеханическое нагружение обуславливают устойчивый рост исходных микротрещин или макродефектов (например, непроваров и несплавлений) вдоль криволинейных и ломаных траекторий по механизму усталости или замедленного коррозионного растрескивания.

Более подробно данные по натурным наблюдениям трещин вблизи сварных швов и наплавок в элементах оборудования и трубопроводов АЭС обсуждаются в Главе 1 диссертации. Кратко представлены существующие методики расчета на сопротивление хрупкому разрушению и отмечается, что при расчетном обосновании прочности элементов оборудования и трубопроводов с трещинами, как правило, используются чрезвычайно упрощенные модели дефектов, что может приводить к избыточному консерватизму получаемых оценок. В Главе 1 также представлено современное состояние теории, описывающей равновесие дефектов типа трещин в упругих телах. Применение существующих современных методов, а также новых, разработанных в диссертации подходов к получению более точных оценок условий безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов АЭС и определяет актуальность работы.

В Главе 2 дана постановка модельной краевой задачи, позволяющей с одной стороны отработать методы и подходы к решению рассматриваемого класса задач, а с другой стороны получить конкретные результаты, представляющих непосредственный практический интерес.

В Главе 3 изложены численные методы и алгоритмы, используемые при решении указанных задач.

В Главе 4 представлены два альтернативных метода определения показателя особенности упругого поля напряжений вблизи вершины трещины, выходящей под произвольным углом на границу раздела материалов, где имеет место скачок упругих свойств, представлены результаты расчетов.

В Главе 5 представлены некоторые результаты решения задач о трещинах различной геометрии, достигающих границы раздела разнородных материалов, при различных условиях нагружения, проведен анализ влияния параметров задачи на коэффициенты интенсивности напряжений.

Заключение

подводит итоги диссертации в форме перечисления основных полученных результатов и выводов.

В Приложение, А вынесены некоторые сведения из теории специальных функций и вычислительные подходы, необходимые для реализации используемых численных методов.

Диссертация характеризуется следующими новыми элементами:

1. Построены математические модели, определяющие условия равновесия трещины, достигающей границы раздела упругих материалов, в рамках механики хрупкого разрушения и с учетом особенностей напряжений.

2. Выполнена адаптация численных методов решения одномерных сингулярных интегро-дифференциальных уравнений к решению задач о криволинейных трещинах в кусочнои непрерывно-неоднородных двумерных телах.

3. Получены решения задач о прямолинейной трещине, выходящей под произвольным углом на границу раздела материалов при различных механических и геометрических параметрах задачи и условиях нагружения.

4. Получены решения задач о криволинейной трещине, находящейся вблизи границы раздела материалов, в том числе достигающей ее.

5. Выполнен анализ результатов расчетов в части зависимости коэффициентов интенсивности напряжений, определяющих условия равновесия трещины в рамках силового критерия механики хрупкого разрушения, от параметров рассмотренных задач.

6. Предложен подход к использованию полученных результатов и развитых методов для анализа условий равновесия трещин в элементах оборудования и трубопроводов АЭС в рамках механики хрупкого разрушения на основе имеющихся экспериментальных данных.

Полученные решения конкретных задач механики разрушения и разработанные модели и подходы позволяют выполнять анализ условий равновесия трещин, в том числе криволинейных, в неоднородных телах в рамках механики хрупкого разрушения для решения задач углубленной оценки безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов АЭС.

Результаты диссертации опубликованы в работах [1−3] (см. также [4]) и доложены на:

• Шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 2010; 8.

• Семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, МЭИ (ТУ), 2011;

• 22-й Всероссийской конференции по численным методам решения задач теории упругости и пластичности, Барнаул, АлтГУ, 2011.

Автор глубоко признателен своему научному руководителю Андрею Вячеславовичу Андрееву за полезные советы и постоянную помощь в работе.

Основные выводы диссертационной работы следующие:

1. На основе анализа литературных данных выявлены недостатки существующих методик обоснования прочности оборудования и трубопроводов АЭС в части расчетного моделирования трещин, приводящие к излишнему консерватизму в оценке условий прочности.

2. Разработана двумерная математических модель элемента оборудования с трещинами, учитывающая неоднородности материала и геометрию трещин, в том числе криволинейных, в общем случае напряженно-деформированного состояния.

3. Развиты существующие и предложены новые модели и подходы к расчету коэффициентов интенсивности напряжений как параметров механики хрупкого разрушения в задачах о трещинах в неоднородных упругих телах.

4. На основе рассмотрения модельной задачи развиты численно-аналитические подходы к решению широкого класса задач о криволинейных трещинах и объемных дефектах в неоднородных элементах оборудования.

5. Развитые модели, методы и подходы апробированы и отработаны на основе решения конкретных задач о трещинах при различных механических и геометрических параметрах и условиях нагружения.

6. Рассмотрена группа задач, решения которых могут непосредственно использоваться для углубленной оценки коэффициента интенсивности напряжений в реальных элементах оборудования и трубопроводов АЭС.

7. Предложен подход к использованию полученных результатов и разработанных моделей для анализа условий равновесия трещин в элементах оборудования и трубопроводов АЭС в рамках механики хрупкого разрушения на основе имеющихся экспериментальных данных.

8. Разработанные модели и подходы могут быть использованы для прогнозирования усталостного роста трещин в условиях сложной геометрии неоднородных конструктивных элементов и термомеханического нагружения, обуславливающих развитие трещин вдоль криволинейных траекторий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А., Андреев A.B. Метод анализа условий равновесия трещины, достигающей границы раздела материалов // Вестник МЭИ. 2011. № 5. с. 83−89.
  2. A.B., Аминиан А. Численно-аналитическое моделирование трещины, достигающей границы раздела материалов // Известия Алтайского государственного университета. 2012. № 1−1. (в печати)
  3. A.B. Развитие методов прямого численного решения одномерных интегродифференциальных уравнений механики // Изв. РАН. МТТ. 2007. № 2. С. 50−65.
  4. А. В. Метод определения комплексных особенностей степенного типа в решениях сингулярных интегральных уравнений с обобщенными ядрами и сопряженными неизвестными // Изв. РАН. МТТ. 2009. № 5. С. 42−58.
  5. А. В. Прямой численный метод решения сингулярных интегральных уравнений первого рода с обобщенными ядрами // Изв. РАН. МТТ. 2005. № 1. С. 126−146.
  6. А. В., Голъдштейн Р. В., Житников Ю. В. Равновесие криволинейных разрезов с учетом образования областей налегания, скольжения и сцепления берегов трещины. // Изв. Ан СССР. МТТ. 2000. № 3. С. 137−148.
  7. А.Ф. Концепция безопасности «течь перед разрушением» для сосудов и трубопроводов давления АЭС // М.: Энергоатомиздат. 1999. 258 с.
  8. А.Ф. Ресурс эксплуатации сосудов и трубопроводов АЭС // М.: Энергоатомиздат. 2000. 427 с.
  9. Р. В., Салганик Р. Л. Хрупкое разрушение тел с произвольными трещинами. // В кн.: Успехи механики деформируемых сред. //М.: Наука. 1975. С. 156−171.
  10. И.С., Рыжик ИМ. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1971. 1108 с.
  11. А. П., Марченко X. П., Панасюк В. В. К теории развития трещин при контакте качения. // ФХММ. 1993. № 4. С. 49−61.
  12. В.В., А.И. Фёдоров, А.Н. Прытков, М. П. Сливкин. Работоспособность металла оборудования и трубопроводов первого контура реакторной установки ВВЭР-440 первого поколения на разных этапах эксплуатации блоков HB АЭС // Доклады МНТК-2009.
  13. А. И. Замечания об особенности упругих решений вблизи углов. //ПММ. 1969. Т. 33. № 1. С. 132−134.
  14. А. И. Математические методы двумерной упругости. // М.: Наука. 1973. 303 с.
  15. JI. Н. Про зображення функцш за допомогою многочлешв Якоб1 та обчислення деяких штеграл1 В типу Konii. // Вюник Кшвського ушверситету. Сер1я математики та мехашки. 1971. № 13. С. 74−79.
  16. A.C. Компьютерное моделирование термо-деформационных процессов в конструкциях и узлах ЯЭУ, анализ и обоснование их прочностных характеристик, безопасности и ресурса. // Дис. докт. техн. наук. М., 2002. 398 с.
  17. A.C. Прямое математическое моделирование процесса разрушения сварных конструкций для определения их прочности и трещиностойкости // Дис. докт. техн. наук. М., 1998. 247 с.
  18. А. М. Комплексный метод граничных интегральных уравнений теории упругости. // Санкт-Петербург: Наука. 1999. 384 с.
  19. А. М., Могилевская С. Г. Конечно-частные интегралы в задачах о пространственных трещинах. // ПММ. 1986. Т. 50. № 5. С. 844−850.
  20. А. М, Могилевская С. Г. Гиперсингулярные интегралы в плоских задачах теории упругости. // ПММ. 1990. Т. 54. № 1. С. 116−122.
  21. И.К. Метод сингулярных интегральных уравнений и численный эксперимент. М.: ТОО «Янус», 1995. 519 с.
  22. Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения // М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006. 328 с.
  23. .З., Швецова В. А. Критерий хрупкого разрушения: структурно-механический подход // Проблемы прочности, 1992, N2, 3−16.
  24. Методика определения ресурса корпусов атомных реакторов в процессе эксплуатации (МРК-СХР-2000), РД ЭО 0353−02, С.-Петербург-Москва, 2000.
  25. Методика определения вязкости разрушения по результатам испытаний образцов-свидетелей для расчета прочности и ресурса корпусов реакторов ВВЭР-1000, РД ЭО 1.1.2.09.0789−2009, С.-Петербург-Москва, 2009.
  26. Ю. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. В 2-х томах. Т. 1. // М.: Мир, 1990. 448 с.
  27. Н. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости. // М.: Наука. 1966. 707 с.
  28. Н. И. Сингулярные интегральные уравнения. // М.: Наука. 1968. 511 с.
  29. АО.Никифоров А. Ф., Уваров В. Б. Специальные функции математической физики. // М.: Наука. 1984. 344 С.
  30. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок, ПНАЭ Г-7−002−86, Москва, Энергоатомиздат, 1989.
  31. А2.Панасюк В. В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. // Киев: Наукова думка. 1966. 246 с.
  32. В. В., Саврук М. П., Дацыилин А. П. Распределение напряжений около трещин в пластинах и оболочках. // Киев: Наукова думка. 1976. 443 с.
  33. М. 77. О построении интегральных уравнений теории упругости для тел с криволинейными трещинами. // ФХММ. 1976. № 6. С. 111−113.
  34. М. П. Двумерные задачи упругости для тел с трещинами. // Киев: Наукова думка. 1981. 323 с.
  35. Al.Саврук М. 77. Система криволинейных трещин в упругом теле при различных граничных условиях на их берегах. // ФХММ. 1978. V. 14. № 6. С. 74−84.
  36. М.П., Осив П. Н., Прокопчук И. В. Численный анализ в плоских задачах теории трещин. Киев: Наук, думка, 1989. 248 с.
  37. И. В. Трещина на границе раздела в однородном поле напряжений. // Механика композит, материалов. 1985. № 6. С. 969−976.
  38. Г. 77. Механика разрушения композиционных материалов. // М.: Наука. 1983. 296 с.
  39. Г. 77. Механика хрупкого разрушения. // М.: Наука. 1974. 640 с.
  40. М. М., Ramacrishnan Т. R. Modified Gauss-Jacobi quadrature formulas for the numerical evaluation of Cauchy type singular integrals. // BIT. 1974. V. 14. № l.p. 14−21.
  41. Comninou M. The interface crack. // J. App. Mech. 1977. V. 44. P. 631−636.
  42. Comninou M. Interface crack with friction in the contact zone. // J. App. Mech. 1977. V. 44. P. 780−781.
  43. Deng X An asymptotic analysis of stationary and moving cracks with frictional contact along bimaterial interfaces and in homogeneous bodies. // International Journal of Solids and Structures. 1994. V. 31. P. 2407−2429.
  44. Erdogan F. and G. C. Sih. On the Crack Extension in Plates under Plane Loading and Transverse Shear. Journal of Basic Engineering. 1963. V. 85. pp. 519−527.
  45. Fermer D.N. Stress singularities in composite materials with an arbitrarily oriented crack meeting an interface. // Intern. J. Fract. 1976. V. 12. № 5. P. 705−721.
  46. Khrapkov A. A. The first basic problem for a notch at the apex of an infinite wedge. // Int. J. Fracture Mech. 1971. V. 7. № 4. P. 373−382.
  47. Lanczos C. J. A precision approximation of the gamma function. // SIAM J. Numer. Anal. Ser. B. 1964. V. 1. P. 86−96.
  48. Margolin, B.Z., Shvetsova, V.A., Gulenko, A.G., Radiation embrittlement modelling for reactor pressure vessel steels: I. Brittle fracture toughness prediction. Int. J. Pres. Ves. & Piping, 1999, 76, 715−729.
  49. Margolin, B.Z., Shvetsova, V.A., Local criterion for cleavage fracture: structural and mechanical approach. J. de Physique IV, 1996, vol.6, C6−225-C6−234.
  50. Margolin, B.Z., Shvetsova, V.A. and Karzov, G.P., Brittle fracture of nuclear pressure vessel steels. Part I. Local criterion for cleavage fracture. Int. J. Pres. Ves.& Piping, 1997,72, 73−87.
  51. Margolin, B.Z., Karzov, G.P. and Shvetsova, V.A., Brittle fracture of nuclear pressure vessel steels. Part II. Prediction of fracture toughness. Int. J. Pres. Ves. & Piping, 1997, 72, 89−96.
  52. Margolin B.Z., Gulenko A.G., Shvetsova V.A. Improved probabilistic model for fracture toughness prediction for nuclear pressure vessel steels. Int. J. Pres. Ves. Piping, 75, 843−855, 1998.
  53. Margolin, B.Z., Gulenko, A.G. and Shvetsova, V.A., Probabilistic model for fracture toughness prediction based on the new local fracture criteria. Int. J.Pres. Ves.&Piping, 1998, 75, 307−320.
  54. Minutes of the second meeting of the programme’s working group 2 on comprehensive assessment techniques // Report IAEA-EBP-IGSCC-09 Limited Distribution 07−08−01. Leningrad NPP. Sosnovy Bor. Russia. 14−16 March 2001.
  55. Nikishkov G.P., Atluri S.N. An equivalent domain integral method for computing crack-tip in nonelastic, termo-mechanical fracture // Eng. Fract. Mech. 1987. v.26. N6 p. 851−867.
  56. Nikishkov G.P., Atluri S.N. Calculation of fracture mechanics parameters for an arbitrary three-dimensional crack by the equivalent domain integral method. // Int. J. Numer. Meth. Eng. 1987. v.24. N9. p. 1801−1821.
  57. Ryoji Y., Jin-Quan X. Stress based criterion for an interface crack kinking out of the interface in dissimilar materials // Engineering Fracture Mechanics Volume 41, Issue 5, March 1992, P. 635−644.
  58. Sinclair G.B. Stress singularities in classical elasticity II: Asymptotic identification // Appl. Mech. Rev. 2004. V. 57. P. 385−439.
  59. Stroud A.H., Secrest D. Gaussian Quadrature Formulas. N. J.: Prentice-Hall, 1966.374 p.
  60. Toya M. A. Crack along the interface a circular inclusion embedded in an infinite solid. // J. Mech. Phys. Solids. 1974. V. 22. P. 325−348.
  61. Toya M. A. Crack along the interface of a rigid circular inclusion embedded in an elastic solid. // Int. J. Fracture. 1973. V. 9. P. 463−470.
  62. Toya M. A. Debonding along the interface an elliptic rigid inclusion. // Int. J. Fracture. 1975. V. 11. P. 989−1002.
  63. Williams M. L. Stress singularities resulting from various boundary conditions in angular corners of plates in extension. // J. App. Mech. 1952. V. 19. P. 526 528.
  64. Yong-Li W. Crack tip stress singularities in a bimaterial with an inclined interface. // Int. J. Fract. 1992. V. 54. P. R65-R72.
  65. Zang W., Gudmundson P. Frictional contact problems of kinked crack modeled by a boundary integral method. // Report 121. Department of Solid Mechanics. Royal Institute of Technology. Stockholm. Sweden. TRITA-HFL-0121. ISSN 0281−1502. 1989.
Заполнить форму текущей работой

На отлично!